专利名称：使用单个水平井以将油和燃烧气体产出到地面的改进的现场燃烧采收方法
技术领域：
本发明涉及使用现场燃烧、竖直氧化气体注入井和独立水平井采收来自地下储层的粘稠烃的方法，具体地，涉及一种不使用另外独立的通气井的改进方法。
背景技术：
用以由粘性地下成烃生产油的现场燃烧方法和用以从包含烃的地层中分离烃的各种方法在本领域中是已知的。举例来说，美国专利3，502，372 (M. Prats)公开了这样的方法，即，在此方法中，页岩油和可溶铝化合物从碎石化或裂石化的页岩油层中通过页岩油自上而下燃烧得到采收。去除油以清理页岩，用于随后使用碱性化学物质溶解开采页岩中的铝。热解剂可以是空气和水的热混合物，但是其必须以500 上的温度注入，并且形成物内部温度必须控制到600-950 T以避免损坏矿物。如发明内容和随后的具体实施方式
中所讨论的，本发明不需要地下储层的碎石化，或者使用自上而下的燃烧。而是，所建立的燃烧前缘沿水平井筒侧向移动。美国专利3，515，212 (Allen等人)公开了一种现场燃烧方法，该方法结合了在竖直井之间正反向现场燃烧。注入井区域由蒸汽加热到自燃温度，空气自探边井注入，并且沿注入井的方向流动。当空气进入邻近注入井的已加热油区域时，便发生燃烧。燃烧气体在燃烧井处离开，并且燃烧前缘朝向探边井生长，与现场燃烧方法相反。在前缘靠近探边井之后，在该井处注入空气，原来的注入井转换成产油井，并且开始前向现场燃烧方法，其中燃烧前缘朝向原来的注入井移动，并且由原来的注入井产出。美国专利4，566, 537 (Gussis)涉及诸如阿萨巴斯卡(Athabasca)浙青等不动油。·在各竖直井之间连通的问题通过执行一系列蒸汽循环以加热注入井附近的油并产生空隙而得以克服。在第二阶段，空气在这些井中的一个处被注入到储层的高处，同时在另一个井中产生燃烧气体，从而建立了该储层顶部处的各井之间连通。现在，这使得能够在一个井的底部注入蒸汽，并在另一个井中产出石油。该方法不同于本发明的方法，其中，如以下所讨论的，本发明的方法利用重力排泄到水平生产井中，并且不需要蒸汽驱动阶段。另外，可以在同一口井中连续地去除油和燃烧气体。美国专利4，410，042 (Shu)公开了一种利用纯氧进行现场燃烧早期阶段的方法。直到燃烧前缘达到距离所述注入井30英尺处，氧气才通过二氧化碳稀释。然后注入纯氧。相比之下，如本说明书中的发明内容部分所讨论的，本发明的方法不在任何阶段使用纯氧和二氧化碳的混合物。美国专利4，418，751 (Emery)公开了一种现场燃烧的方法，其中将水注入含油储层的上部，与在底部附近注入的氧气隔开。水和燃烧气体在储层中混合，蒸发水分并且去除热量。本方法不需要或不采用同时注入氧气和水。事实上，将氧气注入储层底部处的水平井附近是非常危险的，因为氧气会进入井筒并在里面燃烧油，引起高温，该高温会危及井筒的完整性并且沉淀焦炭，所述焦炭会部分堵塞井筒。美国专利4，493，369 (Odeh等人)公开了与专利4，418，751基本相同的井和流体布置，即将氧化气体注入储层的底部的同时将水注入到储层的顶部。美国专利5，456，315公开了一种现场燃烧方法,其中，将氧化气体注入竖直井中，该竖直井在含油储层的上部具有穿孔。各竖直井直接成排定位在位于储层底部的水平井的上方。这些井的定向与本方法相同。然而，美国专利5，456，315需要定位于水平生产井一侧并平行于该水平生产井的成排水平/竖直透气井，而各透气井又位于储层的顶部。透气井的目的是以与通过重力排泄到所述水平生产井中的液体分开的方式将燃烧气体采收到地面。如以下更充分描述的，本方法不使用独立的燃烧透气井，但是通过同一个水平井一起产生液体和气体，并且由此，仅需要一个水平生产井，因而只需要显著减少的高成本水平井。另外，如美国专利5，456，315所述的方法所做的，以与液体分开的方式采收燃烧气体会消除泄油区域内的对流传热，使得美国专利5，456，315所述的方法能量效率更低。特别地，通过抑制燃烧气体和液体的混合，美国专利5，456，315从与热油接触中去除了所产生的氢，使得现场氢化裂解的程度和现场油升级的程度大大降低。在燃烧气体占16%时去除 二氧化碳会抑制如下所述本发明中的溶解能力，由此本发明更能够进一步减少油的粘性，并扩大排油区域，由此产生比美国专利5，456，315所公开的方法更高的产油率。美国专利5，456，315所公开的通气井采收的另一个主要缺点是方法安全性问题，由于从储层内部燃烧过(以及有时正在燃烧)的气体中获得高温，所以通气井必须经过水冷。另外，由于所述气体注入井和通气井都位于储层的顶部，并且相互连通，所以氧气可能会与通气井中的烃液体或气体混合，使得在其中或在地面产生爆炸性混合物。美国专利5，339，897 (Leaute)公开了与专利5，456，315类似的由焦油砂生产烃的方法，其中竖直井定位于含油储层的顶部，位于水平生产井上方，并且第二竖直井安置成在储层顶部偏离第一竖直井并且侧向偏离水平生产井。两个竖直井之间的连通通过使用热流体而实现，然后氧化气体被注入生产井上方的井中，并且燃烧气体通过探边井被送出。热油向下排泄到生产井。另外，在专利5，339，897公开的方法中，将诸如过热蒸汽等裂化流体注入水平生产井上方的累积油中的做法会引发裂化反应。美国专利5，626，191 (Greaves等人)公开了一种现场方法,其中,氧化气体注入井定位于安置在储层底部的水平生产井趾部附近的含油储层顶部的附近。半竖直的燃烧前缘产生、侧向延伸并且从生产井的井趾部朝向生产井的井跟部移动。油和气体一起排泄到同一个水平生产井中。如下所述，本发明比专利5，626，191有极大的改进，因为，如本发明，通过将注入井定位于沿水平生产井的中部或将多个注入井定位于生产井的上方，以适当的成本极大地提高了产油率以及油的升级程度。在此构造中，各注入井维持两个燃烧/排泄前缘而不仅仅是使用专利5，626，191时的一个。令人惊讶的是，燃烧/排泄前缘以相同的速率朝向生产井的井趾部和井跟部前进。美国专利5，626，191通过参见的方式合并入本文。美国专利6，412，557 (Ayasse等人)是对专利5，626，191的改进，其中，在水平生产井内部、上部和周围都安置催化剂以提高油的升级程度。美国专利6，412，557通过参见的方式合并入本文。美国专利7，493，952 (Ayasse)公开了对专利5,626, 191和专利6,412, 557的改进，其中，在井趾部处将非氧化气体注入水平生产井中，以避免氧气进入，并且通过控制井筒中的温度和压力而提高该方法的安全性。美国专利7，493，952通过参见的方式合并入本文。美国专利公开20090308606 (美国专利申请号12/280,832) (Ayasse)公开了对专利5，626，191和专利7，493，952的改进，其中，诸如石脑油或者其它烃溶液的稀释剂或者二氧化碳被注入延伸到水平生产井的井趾部的长管系中，以控制井筒压力和温度，并由于密度和粘性降低而方便了井筒油的流动。美国专利公开20090200024 (美国专利申请号12/068,881) (Ayasse等人)公开了类似于美国专利5，626，191的新方法，其中，将氧化气体注入水平井的井跟部附近，其中，所述水平井具有延伸到井趾部的管系。燃烧前缘通过运动从井跟部蔓延到井趾部。如以下更加充分地描述的那样，本发明的方法相比于美国专利5，626，191的优势是，不像美国专利5，626，191，不需要在井趾部附近钻较远的竖直注入井。而是，在本发明中，可以在诸如水平腿部的中部等远离井趾部的位置钻注入井。本方法相比于美国申请12/068，881的优势是单个注入井可以定位在水平生产井的井趾部和井跟部之间的中部，双向燃烧前缘将朝向井趾部和井跟部移动，而不必考虑如可能发生在美国申请12/068,881中的有关燃尽水平 生产井的竖直部分，其中，空气注入点邻近或位于竖直部分处。与美国申请12/068,881 —样，本发明也具有从水平井的井趾部定位竖直空气注入井(例如对于1000米的水平生产井腿部，在距离井趾部500米处定位)的优势，使得诸如由于在井趾部区域处的沼泽或湖引起的不能到达地面的情况不会妨碍在该处钻竖直井，也不会妨碍储层的开采。
发明内容
本发明涉及使用现场燃烧、利用至少一个氧化气体注入井和独立的水平井从地下储层采收粘性烃的改进方法，具体地，涉及不使用独立的额外通气井，而使用位于形成部低处的水平井筒来不仅采收热油而且采收热的燃烧气体以在随后将两者产出到地面的改进方法，其中，油随后与高温燃烧气体分离。在仅使用一个竖直注入井的本发明的实施例中，该竖直注入井被设置在储层的上部，并在储层的上部处完成，以将含氧气体注入储层以支持其中的现场燃烧。这样的竖直注入井位于水平井上方并且大约在沿所述水平井的中点处，在将氧化气体通过注入井注入储层并点燃靠近这种竖直注入井的该储层中的烃时，靠近该竖直注入井产生燃烧前缘，所述燃烧前缘从注入井沿相互相对的方向向外传播，每个相互相对的方向沿着水平井并侧向于水平井。高温燃烧气体和热油从成烃部向下牵引并且在水平井内被采收，然后通过该水平井一起产出到地面，在地面处，使用多相分离器、涡流分流技术或本领域普通技术人员已知的其它技术将热的燃烧气体与油分离，另外，如果需要，热的燃烧气体用于加热水以产生蒸汽，以优选地用于驱动蒸汽轮机发电。可替换地，包含诸如甲烷、乙烷、丙烷、一氧化碳、氢气和硫化氢等可燃成分的燃烧气体可以在地面燃烧以通过蒸汽轮机或燃气轮机发电。在具有通气井的方法中，这些气体在储层的上段燃烧，且必须被冷却以保护通气井不受热损害，使得能量被浪费了。相似地，在使用多个沿水平井方向对齐并延伸的竖直氧化气体注入井的本发明方法的优选实施例中，每个竖直氧化气体注入井在水平井筒上方完成，并且沿水平井筒以合适的距离隔开，在每个注入井处，产生热的燃烧气体的双燃烧前缘和泄油，所述燃烧前缘沿相互相对的方向从竖直注入井朝向水平井的井趾部和井跟部、沿水平井筒以大体垂直于水平井筒的方向传播，并且通过成烃部。例如，5个氧化气体注入井将会产生十(10)个流体排泄前缘，此以较低的额外成本提供了较高的产油率。显著地，如果水平井的水平腿部的内径太小，那么井筒液压(hydraulics)会干扰燃烧前缘前进的对称性——燃烧前缘沿水平生产井的井跟部方向前进会比朝向井趾部更快，因此降低了该方法的效率，并且 以相互相对的方向同时沿水平井等量前进的对称性将会失去，更重要地是在朝向井趾部前进的方向上变慢了。因此，在水平井位于大约400米的储层附近并且水平井在此深度处具有相应井筒液压的本发明方法的另一优选实施例中，生产井的水平腿部的内径应当大于3英寸，使得维持燃烧前缘前进的对称性，优选地大于5英寸，且最优选地大于7英寸，以允许生产井有足够大的直径。本发明也考虑了这样的方法，即，在此方法中，多个竖直氧化气体井可以在水平井筒上方沿水平井筒的路线完成，并且起初将氧化气体注入位于水平井大致中部的所述竖直注入井之一处的形成部，并且在该形成部附近形成燃烧前缘，该燃烧前缘沿水平井以相互相对的方向前进。在燃烧前缘经由其它的竖直氧化气体注入井沿相互相对的方向前进一段给定的距离后，在该初始注入井的各相对侧处上可以进一步将氧化气体注入所述其它的注入井中的一个或每一个，使得保持燃烧并允许燃烧前缘继续沿水平井筒前进。有利地，通过使用水平井筒以向下牵引加热油和热的燃烧气体，并将加热油和热的燃烧气体(氧已耗尽)都产出到地面，逐渐实现以下优势，即(i)与加热油一起被牵引到水平生产井中的热的燃烧气体用于保持所述油持续被加热并且由此不仅提高来自成烃部的油的收采率，而且确保了加热油的粘性保持较低，因此所述油可以使用气“举”被升举到地面，消除了使用泵的必要性；(ii)只需要钻更少的井，具体地，不需要如某些现有技术中的方法一样必须钻通气井来分别采收和排出热的燃烧气体；(iii)然后，热的燃烧气体可以在地面用以加热水，以产生蒸汽，蒸汽可以用于加热和/或驱动蒸汽轮机而发电，并由此产生能量，否则这些能量可能会失去，而在此方法中能够充分利用这些能量。(iv)因为更高的油温以及储层中油与此方法中产生的氢的结合，所以会实现油的升级。特别地，关于上述优势(ii)，通过将竖直注入井靠近水平井的中部定位并且通过以两个相互相对的方向沿所述水平井筒传播燃烧前缘，此方法允许比通过美国专利5，626，191 (燃烧前缘“从井趾部到井跟部”传播)或者美国专利7，493，952 (燃烧前缘“从井跟部到井趾部”传播)中公开的方法能更快地采收油，其中，美国专利5，626，191或美国专利7，493，952仅使得燃烧前缘沿水平井筒以单一方向前进。另外，通过将低于破裂压力的含氧气体经由注入井注入，并且围绕向上延伸到储层冠岩、向下朝向水平生产井延伸(但未到达)的注入井建立含氧气体区域，以及建立沿水平生产井同时朝向水平生产井的井趾部和井跟部的方向扩散并垂直于水平井的行程扩散的水、油和燃烧气体排泄前缘，加热的油和水以及加热的燃烧气体在重力和压力的影响下可全部排泄，并且还可以在水平井中被收采而没有氧气或氧化气体，从而大大地降低了爆炸的可能性。与通过独立的通气井将气体排出的方法相比，本发明的方法保存了有价值的可燃烧成分以产出到地面，而不是在储层中将其燃烧(那样会浪费热量)，该方法使用所生成的氢中的一些来氢化裂解热油，从而产生稳定的局部升级的油。由此，在本发明方法的一个广泛的方面中，所述方法包括用以降低包含在含油储层中的油的粘性并从所述储层中采收所述油和燃烧气体的改进的现场燃烧方法，所述方法不使用一个或多个独立的燃烧气体通气井，所述方法包括(a)提供至少一个生产井，所述生产井具有向下延伸到所述储层中的大体竖直部，并具有与所述竖直部流体连通、并从所述竖直部水平向外延伸的水平腿部，所述水平腿部在储层中相对较低处完成；(b)提供至少一个注入井，所述注入井位于所述水平腿部的相对两端的中间区域并且所述注入井相对于所述水平腿部间隔开，且大体直接定位在所述水平腿部的上方，以 将氧化气体注入所述水平腿部上方的所述储层，并且在所述水平腿部的两个相互相对的端部的中间区域中；(C)将处于低于破裂压力的氧化气体通过所述至少一个注入井而注入，并且开始在靠近所述注入井的所述储层中燃烧烃，从而建立位于所述水平腿部上方的至少一个或多个燃烧前缘，所述一个或多个燃烧前缘使得在所述储层中的油的粘性降低并且向下排泄到所述水平腿部中；(d)允许高温燃烧气体和粘性降低的所述油一起采收在所述水平腿部中；以及(e)将所述高温气体和所述油产出到地面；以及(f)在地面或者在所述水平井的井跟部将所述油和所述高温燃烧气体分离。在以上方法的第一个改进中，所述至少一个注入井包括沿所述水平井的长度并且在其相互相对的端部的中间位置从地面朝向所述水平腿部向下延伸定位的至少一个竖直注入井，并且在注入氧化气体并点燃氧化气体时，所述注入井将所述氧化气体供应到至少两个燃烧前缘，所述燃烧前缘各自沿相反的方向从所述竖直注入井向外移动并沿所述生产井的所述水平腿部的方向移动。在第二可替换改进中，所述至少一个注入井包括位于所述生产井的所述水平腿部上方并沿所述生产井的所述水平腿部延伸的水平井，用以在所述生产井的所述水平腿部上方注入所述氧化气体。可替换地，在本发明方法的另一广泛方面中，所述方法包括一种用以降低包含在含油储层中的油的粘性并从形成部中采收粘性降低的所述油的改进的现场燃烧方法，所述方法不使用一个或多个独立的燃烧气体通气井，所述方法还包括(a)钻至少一个生产井，所述生产井具有向下延伸到所述储层中的大体竖直部，并具有与所述竖直部流体连通、并从所述竖直部水平向外延伸的水平腿部，所述水平腿部在储层中相对较低处完成；(b)钻至少一个注入井，所述注入井直接定位于所述水平腿部上方并与所述水平腿部大体对齐，并且在所述水平腿部的相对端的中间区域定位或延伸；(c)通过沿所述水平井筒定位的每个所述竖直井将氧化气体注入所述储层；(d)在靠近所述注入井的所述储层中开始现场燃烧，以形成至少一对竖直延伸的燃烧前缘，所述燃烧前缘沿所述水平腿部以相反的方向侧向前进，所述燃烧前缘使得在所述形成部中的油的粘性降低，并向下排泄到所述水平腿部中；(e)在所述水平腿部中采收高温燃烧气体和粘性降低的所述油；以及(f)将所述高温气体和油同时产出到地面；以及
(g)在地面或者在所述水平井的井跟部处将所述油和所述高温气体分离。在仅沿水平井的中部定位的竖直注入井处开始燃烧的其它实施例中，当大体竖直的所述燃烧前缘沿所述水平井筒侧向前进并经过其它竖直注入井时，氧化气体被注入位于所述连续的其它竖直注入井处的所述储层，以加速竖直燃烧前缘沿所述水平井以两个方向的运动。在又一实施例中，所述改进的现场燃烧方法(所述方法不使用一个或多个独立的燃烧气体通气井)包括(a)提供至少一个生产井，所述生产井具有向下延伸到所述储层中的大体竖直部，并具有与所述竖直部流体连通、并从所述竖直部水平向外延伸的水平腿部，所述水平腿部在储层中相对较低处完成；(b)提供多个直接定位在所述水平腿部上方并与所述水平腿部大体对齐的多个竖直注入井，所述竖直注入井朝向所述水平腿部向下延伸；(c)将氧化气体通过所述竖直井中的至少两个注入所述储层；(d)在靠近所述至少两垂直注入井的所述储层中开始现场燃烧，从而在每个所述注入井处形成一对竖直延伸的燃烧前缘，所述燃烧前缘沿所述水平腿部以相反的方向从所述至少两个竖直注入井中的每一个向外侧向前进，所述燃烧前缘使得所述形成部中的油的粘性降低，并向下排泄到所述水平腿部中；(e)在所述水平腿部中采收高温燃烧气体和粘性降低的所述油；以及(f)此后，将所述高温气体和油同时产出到地面；以及(g)在地面将所述油与所述高温气体分离。在上面刚描述的方法的另一改进中，所述大致竖直的燃烧前缘沿所述水平井筒侧向前进经过所述多个注入井中的另一个时，在所述多个注入井中的所述另一个处将氧化气体注入所述储层。可选择地，循环地或直接地用通过注入井和生产井的蒸汽刺激储层可以在开始现场燃烧之前起初地执行，以建立注入井和所述水平产油井之间的流体连通，以当现场燃烧开始时更好地确保加热的燃烧气体和加热油的流动。可选择地，点燃油的操作可以通过注入亚麻籽油或其它通过空气孔容易地点燃到储层中的流体的已知技术而实现或辅助实现。(i)应当注意的是，本发明的方法有利地包括以下特征并且其特征在于液相物质和气相物质没有分开产出，因为它们都进入了在储层底部附近的低处完成的同一生产井(即，水平井);(ii)当使用空气作为氧化气体时，由于水平井的深度以及高温气体进入水平生产井，所述水平井中的高的气/油比率确保了自然气举在压力衰竭的储层中是有效的，使得不必使用泵，从而减少了方法的复杂性并降低了成本；(iii)作为所述油和燃烧气体(有时是水和/或蒸汽)一起流入水平井筒中的直接结果是实现了高的能量效率，因为所有燃烧热量以对流的方式传递到储层中的泄油区域内部和前方，因此，由于从燃烧气体到油的能量传递而使得流体的粘性最大程度地降低，并且最大化了产油率。空气-油比率也降低了，反映了与用不同的井将气体和流体分开产出的情况相比能量效率提闻了。(iv)燃烧气体和烃液体的共同产出也提高了产油率，因为燃烧气体中存在的二氧化碳在排泄前缘之前渗入油中，并且作为稀释剂起作用，以进一步减少油的粘性并方便油排泄到水平井中。而且，在燃烧气体中的二氧化碳在冷油中具有最高的溶解度，使得由于二氧化碳在冷油中的溶解，排泄区域变得更宽。( iv)在排泄区域以及井筒中氢与流动热油的混合能够产生氢化裂解，并且部分地升级所述油；(V)在本方法中需要低的空气注入压力，因为燃烧气体与邻近的水平生产井直接连通，最多相距油区厚度的距离。
在附图中示出了本发明的示例性实施例图I是含油储层的剖视图，示出了用于执行本发明方法的井的布置，该剖视图是同时沿竖直注入井和水平/竖直生产井对剖切而得到的。覆盖岩层位于含油储层上，竖直氧化气体注入井以及用以生产油的竖直/水平井对定位在含油储层内；图2是图I示出的含油储层沿平面B-B剖切的剖视图，其中水平生产井以剖视图的方式示出；图3是以数字模拟的方式得到的图I所示含油储层的部分透明的俯视图；图4是与图I相似的含油储层的剖视图，其示出了本发明的方法的变型，其中，多个氧化气体注入井用以使燃烧前缘沿两个相反的方向前进；以及图5与图I类似，但是其使用5个气体注入井作为同时工作的注入井。
具体实施例方式参照图1，图I所示含油储层20典型地由覆盖岩层I所覆盖，优选地，所述覆盖岩层I由足够厚以基本能够防止气流渗透的页岩和冠岩组成，使得所注入的含氧气体22容纳在含油储层20内。根据本发明的方法，至少一个竖直氧化气体注入井6a从地面30向下钻入储层20的上部，并且所述竖直氧化气体注入井6a穿有孔，使得允许在含油储层20顶部附近将氧化气体22注入储层20，所述氧化气体在注入井6a内通过压缩器71a被压缩并被压迫。设置具有竖直井部分10和水平井部分8的水平/竖直生产井对9。水平井部分8在储层20的下部完成，且优选地基本延伸穿过含油储层20的长度或者其一部分，其中，期望通过本发明的方法从含油储层20的该部分采收油。该水平井的外壳可以穿有如图I和图4所示的孔，或者可以包括如给本受让人一亚康科技股份有限公司的PCT/CA中所示出及所教示的多孔筛、窄缝或者商标为FaesRiteTM1的滤网塞等，以允许热油3和热的燃烧气体5从储层20进入水平井8，用于随后产出到地面30。优选地，水平生产井的内径大于3英寸，以保持前缘前进时的对称性，并且有利地大于5英寸，最有利地大于7英寸(即，在典型的现行标准井筒尺寸中大约为9又5/8英寸的内径)，以允许生产井具有足够的直径。
_1FacsRitellt是斯伦贝谢有限公司(ShlumbergerInc.)用于生产井的筛砂机的商标。根据本发明的方法，至少一个氧化气体注射井6a定位在沿水平井筒8中部的上方并沿水平井筒8的大致中部处(S卩，其中如图I所示，距离“d/’与距离“d2”基本相等)，尽管其精确位置可以基于已知储层的差异性或其它因素而改变。在优选实施例中，开始并执行本发明采收油的方法中的第一步是建立竖直注入井6a和水平生产井8之间的流体连通，使得氧化气体22可以更容易地注入储层20，并且热油3和燃烧气体5可以通过水平/竖直井对9而从储层20被移除。初始时，蒸汽(未示出)可以循环或持续地注入竖直井6a，也可以从地面注入水平井8，并且在其中循环以加热水平井8并增加其中的热油3的移动性。开始注入的蒸汽的压力大小不足以强迫大量的蒸汽直接通过储层20并进入水平井8，而仅足以有助于将储层20中处于该辅助压力下的粘性液体 在储层20中向下排泄到更低压的区域，即水平井8的区域，水平井8从该区域将流体移除，藉此产生压力相对更低的区域，由此建立沿此方向的流体流动。对于在某些储层条件下不能移动的油3，蒸汽也可以连续的方式通过注入井6a而注入，其依赖于储层扩张以达到蒸汽注入量。当油3是如此的粘以致于不能在储层20中移动时，对水平生产井8进行预热会防止油3在水平井8中凝固并妨碍生产，特别地，如可能发生的，当生产井8必须关闭时，则会对地面油处理设施造成困难。该预热方法可以通过从水平井8的井趾部40到井跟部42循环水平腿8中的蒸汽而得以执行。该循环通过以下方式实现，即，将长管系(未示出)放置在水平井8中，以将借助该管系流动的蒸汽注入井趾部40并借助该管系与水平井外壳8之间的环形空间而返回到井跟部42，然后到达地面30。一旦在注入井6a和水平生产井8之间建立了流体连通，例如空气、富氧空气、富二氧化碳空气或者氧气一二氧化碳混合物等含氧气体通过如图I所示的注入井6a注入储层20。首先，使用相对适当的通气量，但该流量倾斜上升到目标最大值，而同时保持由放置在井筒中的一串热电偶检测到的井筒温度低于大约350° C。在开始注入氧化气体之后，诸如二氧化碳等燃烧副产品将会在地面出现在所产生的气体中，表示储层中已实现燃烧。预热竖直注入井6a附近的储层20有第二个重要的目的，因为在蒸汽温度下的油通常能够自燃，并能够启动燃烧以及生产油的过程。其也降低了竖直注入井附近的砂的油饱和度，此用以减少燃烧放热的强度并防止过度加热该注入井。在现场燃烧过程开始时，如果氧化气体22接触形成部20中的油3，那么会发生燃烧反应并立刻在燃烧前缘50后面的区域4中产生焦炭，如图I至图4所示。其后，焦炭是唯一消耗的燃料，在消耗后，剩下燃尽区2，如图I至图4所示。在区域4(参见图I至图4)中，焦炭由分散在砂粒中的小的碳质颗粒组成。在实验室反应器以及包括阿萨巴斯卡浙青的炼油厂焦炭中测得的氢/碳的比率通常为I. 13。包含焦炭颗粒的砂保持对气体基本可渗透，使得氧化气体22和所产生的燃烧气体4可以容易地流过，接触冷油并且传递热量。对流油加热是如此地广泛以致于由于在焦炭燃烧过程中产生的高温以及所生成的氢的存在而发生油的加氢裂化。在燃烧机制和排泄前缘方面，本方法的运作与由井趾部到井跟部空气注入)法相似。运行THAI 方法的位于亚伯达省康克林市(Conklin)的Petrobank能量和资源有限公司已报道，储层温度在600° C以上，在所产生的气体中氢达到8个体积百分比，且浙青升级3-4个点。最终，本发明所产生的油3显著升级了。
有利地，在本发明的方法中，通过水平/竖直井对10去除热的燃烧气体5，使得允许实现比诸如美国专利5，456，315的方法等现有技术更显著的优势，其中，现有技术依赖于放置在储层上游段中的盤处井4 (参见美国专利5，456，315的图2)以去除这些燃烧气体。不利地，在美国专利5，456，315中所示的这些现有技术方法大大地降低了提供从热的燃烧气体到油的对流传热的能力，并且更不利地，这样的现有技术方法去除了所产生的用以加氢裂化的氢以及还用以有利地减少油粘性的二氧化碳溶剂。主要依赖于对流传热的该现有技术方法能源效率低，且产油率比本发明的方法低。在本发明的方法中，建立了流体排泄区15，并且热升级后的油3 (以及水/蒸汽(未显示))和燃烧气体5向下流动并进入水平井8，以一起传送到地面30。随着该方法的进行，与注入的含氧气体
_
2THAItm是亚伯达省卡尔加里市(Calgary)的亚康科技有限公司的注册商标，用于从石油形成物中强化采油的具体专利方法/技术的许可服务。22最近的焦炭层4的外部逐渐燃烧，新鲜焦炭留在热的燃烧气体首先接触油的地方。在此操作中，储层油3从未遇到氧气，使得充氧有机物未能形成，并且所产生的油乳剂容易进入位于地面的油处理设施。在流体排泄区15外的油3基本保持未加热，直至排泄区15和燃烧前缘50前进。对于包含可移动油的储层20，远离燃烧排泄前缘15的未加热原油3与在水平井8中的加氢裂化油3混合以降低整体的升级程度。然而，对于可移动油储层，由于整个水平井筒在井的整个寿命内都是可生产的，所以油生产率是上升的。在整个储层20中，被注入氧化气体的区域通过油 3的层24而保持与水平井隔离，避免氧化气体(如氧气)进入水平井8。该层24由从侧向膨胀燃烧前缘50排泄并在储层20的底部流入水平井8的热升级油3而供给。如本发明的方法进行的，从保护层24进入水平井8的油3的体积相对于与燃烧气体5 —起排泄的油3的体积增大了(参见图I和图4，层24的体积增加)。
图2是沿含油储层20的面B-B剖切的剖视图，以及图I所示的本方法，与图I中相同的部分用相同的标记表示。该图示出了如何在水平井上形成保护性的油层。
图3是本方法的俯视图，其示出了含油储层20、燃烧区域2、焦炭燃料储存区4和流体排泄区15。含氧气体注入井6a位于含油储层20的上部，生产井对9的水平部分8位于储层20的底部。水平/竖直井对9的竖直部分10在生产井9的井跟部42处连接到水平部分8并且该竖直部分10连接到地面油处理设施(未示出)。虽然流体排泄区15在两个点17、18处与水平井8交叉，但是所有生产的油3都在水平井8的内部朝向水平井8的井跟部42移动。令人惊奇的是，注入井6a的伸入部和进入水平井8的泄油入口点17、18之间的距离在整个方法的运行中保持大体相等。人们可能会以为朝向水平井8的井跟部42 移动的排泄区15的部分(入口点)18会比朝向井趾部40移动的排泄区15的部分(入口点) 17更快地前进，因为部分(入口点)18更接近于低压力的井跟部42。然而，事实并非如此。
参照图1，冠岩覆盖岩层I防止包括氧化气体22的流体逃逸出含油储层20。图I 也示出了燃烧过的区域2、焦炭燃料储存区4、流体排泄区15、含氧气体注入井6a、生产井对 9的水平腿部8，以及水平生产井9的竖直部分。
如图I所示的本发明的方法进行的那样，各焦炭区域4和各流体排泄区域15都从注入井6a沿两个相互相对的方向侧向向外移动，首先朝向井趾部40，然后朝向生产井对9CN 102933792 A书明说10/15 页的井跟部42，流体入口点17、18也以同样方式移动，并且燃烧过的区域2扩大。(参见图I 和图4)该过程继续直到流体排泄区15到达井趾部40和井跟部42，如果注入井6a定位于生产井对9的水平井8的中点，那么流体排泄区15会几乎同时到达井趾部40和井跟部42。 重要地，保护水平井8不暴露于氧气的油带24通过油3而加厚，如图4所示，油3从排泄区 15排泄，在入口点17、18处进入水平井。一旦通过泄油点17、18到达井趾部40和井跟部 42的端点，那么氧化气体注入流量必须减少或者停止以防止对储层造成过压，储层过压或者会引起储层破裂，或者会强迫氧气进入水平井8。
特别地，要防止氧气或含氧气体进入水平井8或者竖直井8，因为，不这样的话，其中的油3将能够燃烧或者爆炸，由此引起非常高的温度，该温度可能损坏生产井对9并形成能堵塞生产井对9的大量焦炭。控制水平井8 (并由此也控制竖直井10)中的温度和压力的一种方式是继续通过井筒管系(未示出，但上文已述)的蒸汽或非氧化气体循环用以预热水平井8。通常为I-IOm3/天的、非常低的蒸汽流量是合适的。在水平井8中沿管系(未示出)放置的热电偶串(未示出)将会提醒操作者蒸汽流量需要增加以降低水平井8的温度。
除了允许提供蒸汽以预热水平井筒8以及水平井筒8的周围区域并开始储层20 和水平井8之间的流体连通外，在水平井8中设置管系也可以有利地用以将稀释剂提供给水平井筒8中的油3，具体地，所述稀释剂为烃稀释剂，例如VAPEX、烃溶剂或石脑油，或者是如共同待批的美国专利申请20090308606 (美国专利申请号12/280,832)中所建议的二氧化碳，在此其全部内容通过参见的方式合并入本文，并且共同转让 给本发明的受让人。有利地，将二氧化碳注入水平井8内的管系具有这样的优势，S卩，不仅可以作为稀释剂作用到水平井8内以及围绕水平井8的池部24中收集的油3，而且进一步用以对水平井8轻微增压并由此辅助防止氧化气体22的任何侵入，如果在油层24降低后允许氧化气体进入水平井 8，那么氧化气体可能会与其中的油3的产生潜在的爆炸性混合物。
在排泄前缘17、18同时到达水平井8的井趾部40和井跟部42之后，新的运行阶段开始，即，下降阶段。特别地，在此时，不再有足量的高温气体5产生以将油3的天然气举提供到地面30，因为水平井8的全长将会由油层24覆盖，并且由油3密封。由此，需要液体泵送或者人造气举以采收仍留在储层20底部的大量的热升级油3。然后，进入注入井6a 的氧化气体22的注入流量被调整以将注入压力大体维持在储层破裂压力以下。最大的氧化气体注入压力小于储层压力的70%是优选的，并且在下降阶段，最大的氧化气体注入压力小于储层压力的50%是最优选的。下降阶段是有利的，因为压缩气体要求较低，并且提供如氧化气体22的压缩空气的压缩器71的输出可以被大体重导引到开始需要大量氧化气体 22的新运行阶段。气体/油的比率在下降阶段低得多，此增加了该方法的整体能源效率。 对于阿萨巴斯卡焦油砂，所累计的空气/油的比率可以低至715:1 (m3空气/m3油)。
该方法特征在于具有高达80%的油采收率的平稳及一致的操作，并且该方法在如蒸汽辅助重力泄油(SAGD)的蒸汽处理过程中最小化了导致频繁井筒失效的生产井的热循环。
在储层渗透性不好的情况下，可能必要的是使用如图4所示的多个氧化气体注入井6a、6b，并且由此适应本发明的方法。由此，在本发明的进一步提炼中，当燃烧前缘50从原来的氧化气体注入井6a前进一段指定的距离时，其它氧化气体注入井6b (在注入井6a 相互相对的侧部上完成)也还可以在燃烧前缘已向外前进超过如图4所示的氧化气体注入14井6b后，各自通过压缩器71提供氧化气体(空气)22，以注入储层20来确保燃烧前缘50继续沿水平井的井趾部40和井跟部42的方向向外前进并且不会停止前进和/或熄灭。
如图4所示的其它的注入井6b可以在本发明的方法开始进行之前在初始注入井 6a的两个相对侧上完成，或者可替换地，可以被钻孔并且可以在方法开始一段时间时完成， 变得明显的是，燃烧前缘50已前进到它们离原注入井6a太远的一个位置点，并且要求为燃烧前缘50提供更直接及更近的氧化气体22，以向外沿水平井8前进，并且该方法由此继续进行。如果必要，使用或完成其它的气体注入井6b的另外步骤可以在较早完成的注入井6b 的各向外的侧部上重复，直到排泄区15的交叉点17、18分别到达水平井8的井趾部40和井跟部42。
在本方法的最优选的实施例中，从开始便使用多种氧化气体注入井。
参考图5，在浙青储层20中有如图所示在适当位置间隔开来的5个氧化气体注入井6a_6e，其中，X等于井长除以注入井的数量。该布置确保所有燃烧前缘联合或者同时到达井趾部和井跟部，其中，燃烧前缘的运动方向由箭头表示。如果注入井错误放置，该方法将会以具有最大利益的相同方式运行，但是能量效率略微降低。覆盖在水平井上的油 3将水平井与氧气隔离。在燃烧前缘大约到达井趾部和井跟部的时候，泄油点17a_17e和 18a-18e将会合`并，并且该水平井将会被油全部覆盖。如果空气注入率保持很高，储层将会超压。因此，操作控制从气体流动控制转变到气体压力控制。所以，此后，气体注入流量变得非常小，而沿储层的较低部分扩散的泄油流入水平生产井中。由于在此下降阶段期间气-油比率较低，油必须通过泵送或人工升举产出。
与单个氧化气体注入井的使用对比，使用多个井减少了可以安全注入单个注入井中的空气量，但增加了在所有注入井上的全部可注入量，这大大地增加了油的生产率。
示例 I
以下表I给出了本例中所使用的数字模型参数的列表单。
数字模拟器STARS 2009. 1，计算机模型集团有限公司。
樽型尺寸
长度540米每2. 5米216个网格
宽度50米每2. 5米20个网格，相互对称，给定井筒间距为IOOm
高度20米每I米20个网格
水平牛产井
500米的离散水平井筒从9个网格延伸到208个网格，在水平井的一端处留出20 米的缓冲区。水平腿部的内径是9又5/8英寸。在整个测试中维持水平井管系中的蒸汽流量为IOm3/天(水当量)，但该过程是可选择的。
蒸汽和氧化气体沣入井
运行多种模型，其中，有1-5个竖直注入井定位于水平生产井上方，在6-9个网格中穿孔以用于蒸汽预热(3个月)，并且在顶部4个网格处穿孔以用于空气注入。每个注入井的通气量开始为10，OOOm3/天，然后增加到最大100，OOOm3/天。
表I储层属性、油属性和井控制
权利要求
1.一种用以降低包含在含油储层中的油的粘性并从所述储层中采收所述油和燃烧气体的改进的现场燃烧方法，所述方法不使用一个或多个独立的燃烧气体通气井，所述方法包括 (a)提供至少一个生产井，所述生产井具有向下延伸到所述储层中的大体竖直部，并具有与所述竖直部流体连通、并从所述竖直部水平向外延伸的水平腿部，所述水平腿部在储层中相对较低处完成； (b)提供至少一个注入井，所述注入井位于所述水平腿部的相对两端的中间区域并且所述注入井相对于所述水平腿部间隔开，且大体直接定位在所述水平腿部的上方，以将氧化气体注入所述水平腿部上方的所述储层，并且在所述水平腿部的两个相互相对的端部的中间区域中； (C)将氧化气体通过所述至少一个注入井而注入，并且开始在靠近所述注入井的所述储层中燃烧烃，从而建立位于所述水平腿部上方的至少一个或多个燃烧前缘，所述一个或多个燃烧前缘使得在所述储层中的油在所述水平腿部上方的粘性降低并且向下排泄到所述水平腿部中； Cd)允许高温燃烧气体和粘性降低的所述油一起采收在所述水平腿部中；以及 Ce)将所述高温气体和所述油产出到地面；以及 (f)在所述水平井的井跟部或者在地面将所述油与所述高温燃烧气体分离。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述至少一个注入井以低于破裂压力的压力将氧化气体通过所述至少一个注入井注入所述形成部中。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个注入井包括沿所述水平井的长度并且在其相互相对的端部的中间位置从地面朝向所述水平腿部向下延伸定位的至少一个竖直注入井，并且在注入氧化气体并点燃氧化气体时，所述注入井将所述氧化气体供应到至少两个燃烧前缘，所述燃烧前缘各自沿相反的方向从所述竖直注入井向外移动并沿所述生产井的所述水平腿部的方向移动。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，多个竖直注入井在所述水平井的上方并沿所述水平井的长度定位，并且燃烧前缘在每个所述注入井处开始，从每个所述注入井在相反的方向沿所述水平井的线向外前进。
5.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个注入井包括位于所述生产井的所述水平腿部上方并沿所述生产井的所述水平腿部延伸的水平注入井，用以在所述生产井的所述水平腿部上方注入所述氧化气体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个注入井在所述水平腿部上方的多个位置处将氧化气体注入所述形成部，使得在每个所述位置处建立至少一对燃烧前缘，所述至少一对燃烧前缘在所述生产井的所述水平腿部的方向上沿所述生产井的所述水平腿部以相反的方向从每个所述位置向外侧向前进。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述热的燃烧气体随后用以加热水。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加热的水随后用以产生蒸汽，以用于使用汽轮机发电。
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述高温燃烧气体被利用或被进一步燃烧以通过使用燃气轮机或蒸汽轮机而发电。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，将管系放置于所述生产井的所述水平腿部内，并且从包括水、蒸汽、包括二氧化碳、烃稀释剂及其混合物的非氧化气体的介质组成的群中选取一种介质注入其中。
11.如权利要求I中所述的方法，其特征在于，所述生产井的所述水平腿部的内径大于3英寸。
12.如权利要求11中所述的方法，其特征在于，所述生产井的所述水平腿部的内径大于5英寸。
13.如权利要求12中所述的方法，其特征在于，所述生产井的所述水平腿部的内径大于7英寸。
14.如权利要求1-6以及10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化气体包含氧气和二氧化碳。
15.如权利要求1-6中的任一项所述的方法，其特征在于，通过调整所述氧化气体的注入流量而将所述氧化气体的注入压力的最大值限定在低于储层压力的50 %。
16.一种用以降低包含在含油储层中的油的粘性并从所述储层中采收所述油和燃烧气体的改进的现场燃烧方法，所述方法不使用一个或多个独立的燃烧气体通气井，所述方法包括 (a)钻至少一个生产井，所述生产井具有向下延伸到所述储层中的大体竖直部，并具有与所述竖直部流体连通、并从所述竖直部水平向外延伸的水平腿部，所述水平腿部在储层中相对较低处完成； (b)钻至少一个注入井，所述注入井直接定位于所述水平腿部上方并与所述水平腿部对齐，并且在所述水平腿部的相对端的中间区域定位或延伸； (C)通过位于所述水平腿部上方以及所述水平腿部的相对端部中间区域的位置处的所述至少一个注入井而将氧化气体注入所述储层； Cd)在靠近所述注入井的所述储层中开始现场燃烧，以形成至少一对竖直延伸的燃烧前缘，所述燃烧前缘沿所述水平腿部以相反的方向侧向前进，所述燃烧前缘使得在所述形成部中的油的粘性降低，并向下排泄到所述水平腿部中； Ce)在所述水平腿部中采收高温燃烧气体和粘性降低的所述油；以及 (f)将所述高温气体和油产出到地面；以及 (g)在所述水平井的井跟部处或者在地面将所述油和所述高温气体分离。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述钻至少一个注入井的步骤包括在所述水平腿部的相对端部的中间区域钻至少一个竖直注入井，并且所述开始现场燃烧的步骤包括靠近所述至少一个竖直注入井开始燃烧，以形成沿所述水平腿部以相反的方向侧向前进的至少一对竖直延伸的燃烧前缘。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述钻至少一个竖直注入井的步骤包括钻多个竖直注入井，并且所述开始现场燃烧的步骤包括靠近沿所述水平腿部及其相对端部的中间区域的所述多个竖直注入井中的一个开始燃烧，从而由此形成沿所述水平腿部以相反的方向侧向前进的一对竖直延伸的燃烧前缘，并且当所述一对竖直延伸的燃烧前缘沿所述水平井筒分别侧向前进经过所述多个注入井中的另一个时，将氧化气体在所述注入井中的另一个处注入所述储层。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述钻至少一个竖直注入井的步骤包括钻直接位于所述水平腿部的上方、与所述水平腿部对齐并定位在所述水平腿部的相对端部的中间区域的多个竖直注入井，所述开始现场燃烧的步骤包括靠近所述多个竖直注入井的每一个开始燃烧，从而由此形成沿所述水平腿部以相反的方向并从所述多个竖直注入井的每个向外侧向前进的竖直延伸的成对燃烧前缘。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述钻至少一个竖直注入井的步骤包括钻直接位于所述水平腿部的上方、与所述水平腿部对齐并在所述水平腿部的相对端部的中间区域延伸的注入井，所述将氧化气体注入所述储层的步骤包括将所述氧化气体注入位于所述水平腿部上方以及沿所述水平腿部并位于所述水平腿部的相对端部的中间区域的位置处的所述注入井以及形成部中；所述开始现场燃烧的步骤包括靠近位于所述水平腿部上方并沿所述水平腿部的所述位置中的每个位置处开始燃烧，从而在每个位置处形成沿所述水平腿部以相反的方向并从所述位置中的每个位置向外侧向前进的成对燃烧前缘。
21.一种用以降低包含在含油储层中的油的粘性并从所述储层中采收所述油和燃烧气体的改进的现场燃烧方法，所述方法不使用一个或多个独立的燃烧气体通气井，所述方法包括 (a)提供至少一个生产井，所述生产井具有向下延伸到所述储层中的大体竖直部，并具有与所述竖直部流体连通、并从所述竖直部水平向外延伸的水平腿部，所述水平腿部在储层中相对较低处完成； (b)提供多个直接定位在所述水平腿部上方并与所述水平腿部大体对齐的多个竖直注入井，所述竖直注入井朝向所述水平腿部向下延伸； (c)将氧化气体通过所述竖直井中的至少两个注入所述储层； Cd)在靠近所述至少两个垂直注入井的所述储层中开始现场燃烧，从而在每个所述注入井处形成一对竖直延伸的燃烧前缘，所述燃烧前缘沿所述水平腿部以相反的方向从所述至少两个竖直注入井中的每一个向外侧向前进，所述燃烧前缘使得所述形成部中的油的粘性降低，并向下排泄到所述水平腿部中； Ce)在所述水平腿部中采收高温燃烧气体和粘性降低的所述油；以及 (f)此后，将所述高温气体和油同时产出到地面；以及 (g)在地面将所述油与所述高温气体分离。
全文摘要
一种现场燃烧方法，该方法不使用一个或多个独立的通气井。设置有至少一个竖直生产井，该竖直生产井具有向下延伸到储层中的大体竖直部和水平向外延伸的水平腿部，该水平腿部在储层中相对较低处完成。定位在水平井的上方并且与水平井间隔开的至少一个竖直氧化气体注入井沿水平井的大致中部侧向定位。将氧化气体注入到其中，并且使得燃烧前缘从该注入井沿水平井以相互相对的方向向外前进。优选地，沿水平井的方向设置有多个注入井，将氧化气体注入各注入井中，并使得燃烧前缘从各注入井沿相反的方向向外前进，且使得油向下排泄到水平井中，将所述油与热的燃烧气体一起产出到地面。
文档编号E21B43/243GK102933792SQ201080067129
公开日2013年2月13日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年3月30日
发明者C·阿亚斯 申请人:亚康科技股份有限公司